Однопозиционный корреляционно-угломерный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения Российский патент 2018 года по МПК G01S5/00 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к системам радиоконтроля для определения местоположения источников радиоизлучения УКВ-СВЧ диапазонов как цифровых, так и аналоговых видов связи, сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы или государственной службы надзора за связью). Изобретение может быть использовано также при поиске местоположения средств радиосвязи, как возможных источников помех связи. Из известных способов и устройств, близким аналогом предлагаемого способа по технической сущности и предназначенным для использования при радиоконтроле, может быть [1].

Способ [1] основан на приеме сигналов тремя антеннами, образующими две пары измерительных баз, измерении разностей времени прихода сигналов ИРИ и детерминированных вычислений искомых координат.

К недостаткам способа следует отнести:

1) Большое количество антенн.

2) Способ не ориентирован на использование РКП.

3) Измерительные базы для вычисления разности времен прихода сигналов ИРИ парами антенн существенно ограничивают разнос этих антенн, не говоря о нецелесообразности и большой технической сложности реализации способа.

Известен угломерно-корреляционный способ оценивания местоположения наземных источников радиоизлучения [2], принятый за прототип. Угломерно-корреляционный способ оценивания координат местоположения наземных источников радиоизлучения (ИРИ), заключающийся в том, что на борту самолета-пеленгатора одновременно измеряют собственные координаты местоположения x(k), угол курса пеленг ИРИ , отличающийся тем, что бортовая вычислительная система (БВС) осуществляет разбиение участка местности вокруг ИРИ с грубо определенными прямоугольными координатами х_ц, z_ц на I×J прямоугольников с координатами центров х_i, z_i; для каждого прямоугольника и всех точек пеленгации рассчитывают ожидаемые значения пеленгов, затем осуществляют поиск элементарного участка местности возможного местоположения ИРИ, которому соответствует совокупность измеренных значений пеленгов определяют текущее местоположение ИРИ по величине функционала качества, характеризующего степень соответствия текущей измеренной совокупности пеленгов и их ожидаемых расчетных значений, соответствующих элементарным участкам местности, координаты которых известны, при этом, в качестве функционала качества используется экстремум взаимно-корреляционной функции реализации и , определяющий совпадение текущего местоположения ИРИ с измеренным элементарным участком местности, координаты которого известны, или взвешенные суммы квадратов разностей текущих измеренных и расчетных значений пеленгов и , при этом критерием совпадения текущей реализации пеленгов и их расчетных значений является минимум функционала качества

Недостатки прототипа:

1. Способ рассчитан только на применение на борту самолета-пеленгатора,

2. Требуется измерение собственных координат местоположения самолета-пеленгатора,

3. Требуется предварительное грубое определение местоположения ИРИ,

4. Требуется разбиение участка местности вокруг предполагаемого местоположения ИРИ,

5. Ожидаемые значения пеленгов искомого ИРИ зависят от координат местоположения ЛА и его курса и не связаны с параметрами ИРИ.

6. Критерием совпадения текущей реализации азимутов и их расчетных значений φ является минимум функционала качества , который может быть и неразличим на уровне шумов этого функционала.

7. Статистика измерения азимутов ограничена по времени нахождения ЛА в зоне возможного местоположения ИРИ и нет простого способа ее увеличения для повышения точности определения координат местоположения ИРИ.

Целью настоящего изобретения является разработка способа, обеспечивающего определение координат местоположения ИРИ УКВ-СВЧ диапазонов из одного РКП без недостатков, присущих прототипу.

Эта цель достигается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, общих с прототипом:

1. Однопозиционный корреляционно-угломерный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения, основанный на измерении параметров искомого источника радиоизлучений (ИРИ) на одном радиоконтрольном посту (РКП) и вычислении тех же параметров в точках, местоположение которых полагается известным, отличающийся тем, что, измеряют азимут φ на ИРИ, применяя РКП с логопериодической поворотной антенной системой (ЛПАС), задают координаты местоположения j виртуальных постов (ВП) на расстоянии в несколько угловых минут от РКП, составляют перечень из i базовых РЭС (i БРЭС), находящихся в базе данных РЭС используемого РКП и секторе утроенного среднего квадратического отклонения измеренного азимута φ, устанавливают корреляционную зависимость азимутов ψ (КЗА) на i БРЭС с ВП от азимутов φ на них же с РКП, для чего вычисляют истинные азимуты ф с РКП и ψ с ВП на i БРЭС, используя истинные координаты их местоположения, затем определяют калибровочные характеристики (КХ) каждой пары РКП/ВП по азимуту (КХА), по широте (КША) и долготе (КХД), для чего задают координаты пробной точки (ПТ) в области возможного местоположения искомого ИРИ и вычисляют расстояние от ПТ до РКП и ВП, составляют ixj разностно-относительных уравнений, представляющих разность отношений расстояний ПТ до РКП к расстоянию от ПТ до ВП и отношений истинных азимутов φ к истинным азимутам ψ, изменяют координаты ПТ и фиксируют их, при достижении минимума разности отношений, как измеренные (переопределенные) координаты i БРЭС, получая, при этом, КХА для всех j пар РКП/ВП, как зависимости разности истинных и измеренных (переопределенных) азимутов от измеренных, и калибровочные характеристики КХД и КХШ координат, как зависимости истинных координат i БРЭС от соответствующих измеренных (переопределенных) координат, затем, вычисляют азимуты ψ с каждого ВП на ИРИ, используя измеренный азимут φ на ИРИ и полученную КЗА для каждой пары РКП/ВП, корректируют их, используя КХА, вычисляют предварительные КМП ИРИ аналогично переопределению координат iБРЭС, корректируют найденные координаты ИРИ, используя КХШ и КХД, усредняют и фиксируют их, как окончательные КМПИРИ.

2. Однопозиционный корреляционно-угломерный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения отличающийся по п. 1 тем, что по измеренному азимуту φ и координатам местоположения РКП составляют уравнение азимутального луча и ПТ перемещают по нему до достижения минимума разности отношений в разностно-относительном уравнении каждой пары РКП/ВП, а начальные предварительные координаты местоположения ПТ на этой азимутальной линии задают при максимальном расстоянии от РКП, в соответствии с зоной его электромагнитной доступности.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

Фиг. 1. Расположение РКП, ВП, ИРИ и iБPЭC;

Фиг. 2. Корреляционная зависимость азимутов для двух пар РКП/ВП, пример;

Фиг. 3. Калибровочная характеристика по азимутам для пары РКП/ВП, пример;

Фиг. 4. Калибровочная характеристика по долготе для пары РКП/ВП, пример;

Фиг. 5. Калибровочная характеристика по широте для пары РКП/ВП, пример.

Способ основан на корреляционном принципе и предусматривает выполнение следующих восьми этапов:

1. Измерение на одном РКП азимута ϕ на искомый ИРИ;

2. Применение j дополнительных, так называемых виртуальных постов (jВП), задаваемых своими координатам и i эталонных базовых РЭС (iБРЭС) в секторе утроенного среднеквадратического отклонения измеренного азимута ϕ на ИРИ;

3. Измерение на РКП азимутов γ_i на i эталонных базовых РЭС (iБРЭС) с целью формирования калибровочной характеристики способа по азимутам;

4. Вычисление по координатам РКП, jBП и iБРЭС азимутов с РКП и с jBП на iБРЭС;

5. Формирование по результатам вычислений азимутов с РКП и jВП на iБРЭС корреляционных зависимостей по азимутам (КЗА) между jВП и РКП.

6. Формирование по результатам измерений и вычислений калибровочных характеристик (КХ) по азимутам (КХА), долготам (КХД) и широтам (КХШ) для j пар РКП/ВП;

7. Корректировка измеренных азимутов и КМПИРИ по полученным КХ;

8. Усреднение вычисленных КМПИРИ по всем сочетаниям

Корреляционный принцип, состоит в установлении и использовании корреляционной зависимости отношений расстояний от каждой из набора i БРЭС, лежащих в заданном секторе азимутов, до заданных каких либо точек с фиксированными координатами, в частности, до РКП и jВП, и отношениями соответствующих азимутов с РКП на i БРЭС и азимутов с jВП на эти же i БРЭС. В качестве дополнительной точки в способе предложен виртуальный пост (ВП), координаты которого задаются. При использовании j ВП их размещают не на одной прямой с РКП и удаляют от него на несколько угловых минут от МП РКП. Для определения КМПИРИ используют сведения об азимутах на ИРИ и разность отношений расстояний от местоположения искомого ИРИ до РКП и jВП. Поэтому способ и называется коореляционно-угломерным разностно-относительным. Измерение азимута на ИРИ выполняют с помощью узконаправленной логопериодической поворотной антенной системы (ЛПАС) на РКП. Азимуты же с jВП на ИРИ вычисляют по измеренному на РКП азимуту и предварительно полученной расчетным путем корреляционной зависимости азимутов (КЗА). Корреляционную зависимость азимутов КЗА выявляют по результатам расчета азимутов с МП РКП и МП ВП на i базовые PЭC (i БРЭС), используя базу данных РЭС применяемого РКП. При этом, используют только i БРЭС, расположенные, по своим координатам, в секторе утроенного среднеквадратического отклонения измеренного азимута ϕ на ИРИ от (фиг. 1.).

В качестве примера, на фиг. 2 приведена КЗА азимутов для двух пар РКП/ВП. Получают корреляционную зависимость между азимутами γ_ркп с РКП и азимутами γ_вп с ВП путем расчета азимутов, используя известные координаты РКП, j ВП и i БРЭС (i БРЭС(х_i, y_i) по одной и той же формуле:

,

По вычисленным по (1) массивам азимутов γ_iркп и γ_iвп на все 1 БРЭС по программе Excel устанавливается корреляционная зависимость, представляемая в виде графика, которая затем аппроксимируется полиномом и используется в дальнейшем для вычисления по ней азимута ψ с j ВП на ИРИ по измеренному на РКП азимуту ϕ на ИРИ. Такое использование КЗА правомерно, так как искомый ИРИ находится среди отобранных i БРЭС по азимуту. Находятся они и по дальности в той же зоне электромагнитной доступности используемого РКП, что и искомый ИРИ. Затем, с РКП многократно измеряют азимут γ_и на каждое из i БРЭС. Все значения измеренных азимутов усредняют. Вычисленные значения азимутов γ_в с РКП на i БРЭС и соответствующие измеренные на РКП и усредненные значения азимутов γ_и на те же БРЭС позволяют получить и калибровочную характеристику (КХА) пары РКП/ВП по азимутам для использования ее в дальнейшем при корректировке измеренных значений азимутов ϕ на ИРИ. Калибровочная характеристика азимутов (КХА), как зависимость разности δ=γ_и-γ_в измеренных и вычисленных азимутов на i БРЭС, или как зависимость величины ошибки от вычисленных значений азимутов γ_в, в виде примера, приведена на фиг. 3. Эта разность, аппроксимируется полиномом и, в дальнейшем используется для коррекции измеренных и вычисляемых азимутов. Аналогично ей получают калибровочную характеристику способа по долготе (КХД) (фиг. 4) и широте (КХШ) (фиг. 5) для корректировки КМПИРИ с целью повышения точности их вычисления.

Для получения калибровочных характеристик КХД и КХШ составляют для каждой пары РКП/ВП уравнение вида:

Измеряют на РКП азимуты γ_ркп на i БРЭС и корректируют по КХА их значения. Вычисляют, используя азимуты γ_ркп и КЗА, азимут γ_вп на те же i БРЭС. Корректируют по КХА их значения. Получают отношение азимутов . Затем, задают положение пробной точки (ПТ) координатами в области размещения i БРЭС. Вычисляют расстояния R_ркп от ПТ до МП РКП и расстояния R_вп от ПТ до МП j ВП и их отношения . Перемещают ПТ, последовательно или дихотомически изменяя ее координаты (х, y) по области размещения i БРЭС до тех пор, пока значение F(x, y) не достигнет минимума. Это значение координат ПТ и фиксируют, как местоположение i БРЭС. Сопоставление истинных значений долгот (х) и широт (y) с зафиксированными значениями долгот и широт ПТ дает калибровочные характеристики КХД и КХШ, как зависимости истинных координат местоположения i БРЭС от вычисленных. Эти характеристики, полученные для i БРЭС применяют для корректировки координат искомого ИРИ, так как он находится в той же области, что и i БРЭС. Для вычисления КМПИРИ составляют уравнение аналогичное выражению (2):

На РКП измеряют азимут на ИРИ. По КЗА вычисляют для всех j ВП азимут на ИРИ. Корректируют измеренные и вычисленные азимуты по КХА. Задают координатами начальное положение ПТ в пределах зоны электромагнитной доступности используемого РКП. Вычисляют отношения азимутов и расстояний, перемещая ПТ в этой зоне путем последовательного или дихотомического изменения ее координат до тех пор, пока выражение (3) не достигнет минимума. Полученные значения КМПИРИ корректируют по КХД и КХШ для каждой из j пар РКП/ВП. Затем усредняют по всем j парам РКП/ВП и фиксируют, как окончательные КМПИРИ.

2. Вместо последовательного или дихотомического изменения координат местоположения ПТ по всей области возможного местоположения i БРЭС или зоны электромагнитной доступности РКП при переопределении координат i БРЭС или определении КМПИРИ, как это предусмотрено п. 1 формулы изобретения, предложен упрощенный вариант этих же процедур.

А именно: по координатам РКП и измеренным азимутам γ_ркп на i БРЭС при переопределении их координат или азимутам ϕ_ркп на ИРИ при переопределении КМПИРИ составляют уравнения азимутальных лучей в виде:

γ_{i брэс}=cotγ_ркп(x_{i брэс}-хркп)+уркп,

Затем, изменяют последовательного или дихотомического только долготу (x_{i брэс} или х_ири) и вычисляют по (4) широту (y_{i брэс} или у_ири) до достижения F(x, y) по уравнениям (2) или (3) минимума, вычисляя при этом расстояния R_ркп или R_вп. Реализация п. 2 формулы изобретения позволяет сократить время определения КМПИРИ. Например, при размерах зоны электромагнитного доступа (в метрах) используемого РКП 20000Х 20000 и последовательном изменении положения ПТ потребуется в 20000 раз меньше времени, чем по п1 формулы.

В заявленном способе устранены все недостатки прототипа. Предложенный способ является универсальным для определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ) УКВ-СВЧ диапазонов, как цифровых, так и аналоговых видов связи Способ является универсальным, не только по видам связи, но и по расположению искомых ИРИ - на поверхности Земли или в пространстве. Используется сканирующий радиоприемник с логопериодической поворотной антенной системой. Не требует затрат на дополнительное оборудование, например, в виде радиоприемного устройства с автокоррелятором и пеленгатора. За счет применения виртуальных постов достигается без каких-либо затрат большая статистическая база, позволяющая повысить точность определения координат ИРИ. Проведенный анализ уровня техники позволяет установить, что аналоги и наиболее близкий из них - прототип, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого способа определения координат местоположения ИРИ, отсутствуют и, следовательно, заявляемый способ обладает свойством новизны.

Исследование известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого способа, показало, что он не следует явным образом из уровня техники, из которого не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение указанного результата, что позволяет считать заявляемый объект, соответствующим уровню патентоспособности "изобретательский уровень".

Источники информации

1. Разностно-дальномерный способ пеленгования источника радиоизлучения. Патент РФ №2325666 С2. Авторы: Сайбель А.Г., Сидоров П.А.

2. Угломерно-корреляционный способ оценивания координат местоположения наземных источников радиоизлучения. Патент РФ №2458358. Авторы: Верб B.C., Гандурин В.А., Косогор А.А., Меркулов В.И., Миляков Д.А., Тетеруков А.Г., Чернов B.C.

Изобретение относится к системам радиоконтроля для определения координат местоположения источников радиоизлучения (КМПИРИ) УКВ-СВЧ диапазонов, как цифровых, так и аналоговых видов связи, сведения о которых отсутствуют в базе данных (например, государственной радиочастотной службы). Технический результат - определение КМПИРИ одним постом радиоконтроля (РКП) и возможность упрощения способа определения КМПИРИ. Способ определения координат источников радиоизлучения (КМПИРИ) основан на измерении параметров искомого источника радиоизлучений (ИРИ) на одном радиоконтрольном посту (РКП) и вычислении тех же параметров в точках, местоположение которых полагается известным. Азимут на ИРИ измеряют, применяя РКП с логопериодической поворотной антенной системой (ЛПАС), на расстоянии нескольких угловых минут, относительно РКП, задают координаты местоположения j виртуальных постов (ВП) на расстоянии в несколько угловых минут от РКП, составляют перечень из i базовых РЭС (i БРЭС), находящихся, по базе данных РЭС используемого РКП, в секторе утроенного среднего квадратического отклонения измеренного азимута ϕ, вычисляют азимуты ϕ с РКП и ψ с каждого из j ВП на i БРЭС, используя координаты их местоположения, устанавливают корреляционные зависимости азимутов ψ (КЗА) для каждой из J пар РКП/ВП на i БРЭС с j ВП от азимутов ϕ, на них же с РКП определяют калибровочные характеристики (КХ) каждой пары РКП/ВП по азимуту (КХА), по широте (КША) и долготе (КХД), для чего задают координаты пробной точки (ПТ) в области возможного местоположения искомого ИРИ и вычисляют расстояние от ПТ до РКП и JВП, составляют ixj разностно-относительных уравнений, затем изменяют координаты ПТ и фиксируют их, как переопределенные координаты i БРЭС, при достижении каждым уравнением своего минимума, получая при этом указанные КХ для всех J пар РКП/ВП, затем вычисляют отношения азимутов с РКП на ИРИ к соответствующим азимутам с j ВП на ИРИ, используя измеренные азимуты с РКП и полученную КЗА для каждой пары РКП/ВП, корректируют их, используя КХА, вычисляют предварительные координаты ИРИ аналогично переопределению координат iБРЭС, корректируют найденные координаты ИРИ, используя КХШ и КХД, усредняют по всем J парам РКП/ВП и фиксируют их как окончательные КМПИРИ. Кроме того, по измеренному азимуту φ и координатам местоположения РКП составляют уравнение азимутального луча и ПТ перемещают по нему до достижения минимума разности отношений в разностно-относительном уравнении каждой пары РКП/ВП, а начальные предварительные координаты местоположения ПТ на этой азимутальной линии задают при максимальном расстоянии от РКП в соответствии с зоной его электромагнитной доступности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

.

1. Однопозиционный корреляционно-угломерный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения, основанный на измерении параметров искомого источника радиоизлучений (ИРИ) на одном радиоконтрольном посту (РКП) и вычислении тех же параметров в точках, местоположение которых полагается известным, отличающийся тем, что, измеряют азимут φ на ИРИ, применяя РКП с логопериодической поворотной антенной системой (ЛПАС), задают координаты местоположения j виртуальных постов (ВП) на расстоянии в несколько угловых минут от РКП, составляют перечень из i базовых РЭС (i БРЭС), находящихся в базе данных РЭС используемого РКП и секторе утроенного среднего квадратического отклонения измеренного азимута φ, устанавливают корреляционную зависимость азимутов ψ (КЗА) на i БРЭС с ВП от азимутов φ на них же с РКП, для чего вычисляют истинные азимуты φ с РКП и ψ с ВП на i БРЭС, используя истинные координаты их местоположения, затем определяют калибровочные характеристики (КХ) каждой пары РКП/ВП по азимуту (КХА), по широте (КША) и долготе (КХД), для чего задают координаты пробной точки (ПТ) в области возможного местоположения искомого ИРИ и вычисляют расстояние от ПТ до РКП и ВП, составляют ixj разностно-относительных уравнений, представляющих разность отношений расстояний ПТ до РКП к расстоянию от ПТ до ВП и отношений истинных азимутов φ к истинным азимутам ψ, изменяют координаты ПТ и фиксируют их, при достижении минимума разности отношений, как измеренные (переопределенные) координаты i БРЭС, получая при этом КХА для всех j пар РКП/ВП как зависимости разности истинных и измеренных (переопределенных) азимутов от измеренных и калибровочные характеристики КХД и КХШ координат как зависимости истинных координат i БРЭС от соответствующих измеренных (переопределенных) координат, затем вычисляют азимуты ψ с каждого ВП на ИРИ, используя измеренный азимут φ на ИРИ и полученную КЗА для каждой пары РКП/ВП, корректируют их, используя КХА, вычисляют предварительные КМП ИРИ аналогично переопределению координат iБРЭС, корректируют найденные координаты ИРИ, используя КХШ и КХД, усредняют и фиксируют их как окончательные КМПИРИ.

2. Однопозиционный корреляционно-угломерный разностно-относительный способ определения координат источников радиоизлучения по п.1, отличающийся тем, что по измеренному азимуту φ и координатам местоположения РКП составляют уравнение азимутального луча и ПТ перемещают по нему до достижения минимума разности отношений в разностно-относительном уравнении каждой пары РКП/ВП, а начальные предварительные координаты местоположения ПТ на этой азимутальной линии задают при максимальном расстоянии от РКП, в соответствии с зоной его электромагнитной доступности.